利用青霉素发酵废渣制备氨基酸水溶肥料的工艺研究

Preparation of Water-Soluble Fertilizer Containing Amino Acids from Penicillin Fermentation Residue

孟亚利 Yali MENG , 曹卫宇 Weiyu CAO

上海化工研究院有限公司上海 200062 Shanghai Research Institute of Chemical Industry Co., Ltd., Shanghai 200062, China

Author notes:

Correspondence to: 曹卫宇(1965-)，男，硕士，教授级高级工程师，主要从事固危废资源化综合利用及新型肥料工艺技术开发；13020267015@163.com

摘要：

以青霉素废渣为研究对象，进行了抗生素废渣无害化处理试验。当氧化钙用量为6 g左右、反应时间为4 h、反应温度为95 ℃时，青霉素废渣的降解率达到99.9%以上，蛋白质水解后游离氨基酸的质量分数达到3.5%左右；试验得到的滤液通过酶解或浓缩，加入中量元素进行复配，制取了满足行业标准《含氨基酸水溶肥料》(NY 1429-2010)要求的含氨基酸水溶肥料产品。对抗生素发酵工艺产生的废渣进行无害化处理，不仅可消除环境污染，而且可实现资源化综合利用。

关键词：

氨基酸水溶肥料; 青霉素; 发酵废渣; 苛化法; 无害化处理; 综合利用;

Abstract：

Taking penicillin residue as the research object, the experimental study on harmless treatment of antibiotic residue is being carried out. The results show that the degradation rate of penicillin residue is up to 99.9% and the content of free amino acid after proteolysis is about 3.5% when the dosage of calcium oxide is about 6 g, the reaction time is 4 h and the reaction temperature is 95 ℃.The filtrate obtained from the experiment is first being hydrolyzed by enzyme or concentrated, and then added with medium elements to prepare the water-soluble fertilizer containing amino acids which met the requirements of the industry standard "Water-soluble fertilizers containing amino-acids " (NY 1429-2010). The non-hazardous treatment of waste residue from antibiotic fermentation process can not only eliminate environmental pollution, but also can realize comprehensive utilization of resources.

Keyword：

water-soluble fertilizer containing amino acids; penicillin; fermentation residue; causticizing method; non-hazardous treatment; comprehensive utilization;

我国是抗生素原料药生产和出口大国，生产的抗生素超过70种，占全球生产总量的70%，产生的抗生素废渣总量很大。抗生素废渣属于危险废弃物，也是一种潜在的可回用资源，如果不进行妥当处置，将会对环境造成严重的威胁。2012年原国家环境保护部制定的《制药工业污染防治技术政策》鼓励研究、开发、推广“发酵菌渣在生产工艺中的再利用技术、无害化处理技术、综合利用技术，危险废物厂内综合利用技术”。抗生素发酵工艺产生的废渣中蛋白质质量分数高达20%~60%，且含有丰富的矿物质和微量元素，这些蛋白质、矿物质和微量元素若能被有效利用，形成新的资源化产品，将会产生良好的生态效益及经济效益^[1-3]。据报道，全世界75%的青霉素工业盐都产自中国，每年至少有800 kt湿废渣待处理，拥有广阔的市场应用前景^[4-6]。

目前未见有关青霉素废渣用于生产氨基酸水溶肥技术的报道，本文提供一种节能环保、高效、低成本的抗生素废渣资源化利用途径，不仅能快速除去废渣中残留的抗生素，而且可以将无害化处理后的废渣进行资源化利用，得到高附加值的氨基酸水溶肥产品^[7-8]。前期研究已证明苛化法对青霉素降解具有良好的效果，降解率高达99.9%，且苛化法处理得到的降解液中含有丰富的氨基酸等营养物质，适合作为氨基酸水溶肥的原料。本文以生物医药发酵废渣中的青霉素废渣为主要研究对象，采用苛化法^[9-11]进行环保处理后，形成资源化产品氨基酸水溶肥，提高了资源综合利用水平。同时，本工艺可实现青霉素菌渣减量化、无害化、资源化，形成良性的产业发展链，既可以减轻制药行业生产过程中的废渣对生态环境的污染，又可保障生产环境的安全，促进制药行业的健康发展，对生态系统平衡、环境安全、人体健康及社会可持续发展均具有重要的意义^[12-13]。

1 试验部分

1.1 技术原理

在碱性条件下使青霉素的内酰胺环断裂形成羧基，然后氧化钙与羧基反应生成碳酸钙沉淀，从而将大分子降解为小分子。此过程使大分子蛋白质分解得到小分子的多肽、氨基酸等营养物质，作为制备氨基酸水溶肥的原料。具体反应路径：

$ \text{CaO}+R-\text{COOH}\xrightarrow{\text{加热}}R-\text{H}+\text{CaC}{{\text{O}}_{\text{3}}} $

1.2 试验器材及原料

(1) 主要仪器

HD2010W型电动搅拌器，上海司乐仪器有限公司；ME204E型电子分析天平，梅特勒-托利多国际贸易有限公司；HH-4型数显恒温水浴锅，国华电器有限公司；TSQ-Quantum型液质联用色谱仪，赛默飞世尔有限公司；Toledo FE20型pH计，梅特勒-托利多国际贸易有限公司。

(2) 主要试剂与原料

氧化钙，分析纯，北京化工厂；青霉素V钾标准品(质量分数93%)，国药集团化学试剂有限公司；乙腈、甲酸，分析纯，江苏强胜功能化学股份有限公司；青霉素废渣，含水质量分数80%，内蒙古某制药公司。

1.3 试验设计

首先采用单因素试验初步确定反应工艺条件，考察苛化物用量、反应时间、反应温度等因素对蛋白质水解效率的影响；然后测定处理后菌渣中蛋白质、游离氨基酸、水不溶物及钙元素等组分的含量，对标行业标准《含氨基酸水溶肥料》(NY 1429-2010)，制备氨基酸水溶肥产品小样。

1.4 试验步骤

称取新鲜青霉素废渣500 g置于1 000 mL的三口烧瓶中，加入一定量水，用搅拌器搅拌形成浆液；称取一定量的固体氧化钙倒入三口烧瓶中(注意不要粘壁)；待反应结束后，冷却并过滤分离反应溶液；测定滤液中游离氨基酸的含量。

1.5 分析方法

参考文献[14-15]，采用电位滴定法验证方法的准确性。以氨基酸的实际质量为横坐标，以氨基酸质量的测定值为纵坐标，绘制电位滴定法氨基酸质量标定曲线，见图 1。

图 1

电位滴定法氨基酸质量标定曲线

由图 1可知，游离氨基酸的实际含量与测定值呈线性关系，说明电位滴定法测得的数据可靠，可用于项目中游离氨基酸的测定。

2 结果与讨论

2.1 废渣中蛋白质水解试验

废渣中含有大量的蛋白质，反应温度、反应时间以及体系酸碱度均对蛋白质的水解有影响，而体系的酸碱度与反应中添加的苛化物的量有关，因此，考察了氧化钙用量、反应温度、反应时间对废渣中蛋白质水解的影响。

2.1.1 氧化钙用量对废渣中蛋白质水解的影响

氧化钙用量对废渣中蛋白质水解的影响见图 2。

图 2

氧化钙用量对废渣中蛋白质水解的影响

由图 2可知：当氧化钙质量分数小于4%时，随着氧化钙用量的增加，滤液中游离氨基酸的质量浓度增大，即蛋白质的水解率不断增大；当氧化钙的质量分数大于4%时，废渣中的蛋白质水解为氨基酸的程度变化较小，呈现较为稳定的状态。说明氧化钙用量在一定范围内对蛋白质水解率影响显著，用量超过该范围后，其对蛋白质水解率的影响逐渐变小。由于氧化钙本身呈碱性，氧化钙的加入量与初始反应的酸碱度有一定的对应关系，故进一步分析了不同酸碱度对工艺过程(主要表现为抽滤效果)的影响，结果见图 3。

图 3

反应体系pH对抽滤效果的影响

由图 3可知，随着反应体系pH的升高，滤液量不断增加，蛋白质水解程度不断提高，同时抽滤时间不断缩短，抽滤效果越来越好，说明氧化钙对抽滤效率有提升作用。

2.1.2 反应时间对废渣中蛋白质水解的影响

反应时间对废渣中蛋白质水解的影响见图 4。

图 4

反应时间对废渣中蛋白质水解的影响

由图 4可知：随着反应时间的延长，水解后滤液中氨基酸的质量浓度不断增加；反应5 h后氨基酸的质量浓度达到较大值，继续延长反应时间，氨基酸的质量浓度变化不大。

2.1.3 反应温度对废渣中蛋白质水解的影响

反应温度对废渣中蛋白质水解的影响见图 5。

图 5

反应温度对废渣中蛋白质水解的影响

由图 5可知：随着反应温度的不断升高，蛋白质水解程度变化明显，滤液中游离氨基酸的含量不断增加；反应温度继续升高至110 ℃，滤液中氨基酸的含量变化不大，其主要原因可能是温度较高的情况下，体系中的氨基酸有一定程度的分解和损失。

2.2 氨基酸水溶肥原料增浓试验

从试验数据可知，在较优的情况下，滤液中的含氮率为0.5%~0.6%，换算为游离氨基酸质量分数为3.10%~3.75%，未达到NY 1429-2010中的要求。采用旋蒸法和酶解法对反应后的滤液进行增浓试验，旋蒸开始前滤液质量为100 g，初始旋蒸温度为45 ℃，实时取样进行游离氨基酸含量分析，试验结果见表 1。

表 1

旋蒸法增浓试验结果

旋蒸次数/次	旋蒸温度/℃	旋蒸后质量/g	含氮率/%	ρ(游离氨基酸)/(g·L^-1)
1	45	85	0.927	67.95
2	70	60	1.178	73.64
3	70	47	1.268	79.24
4	70	35	1.576	98.50
5	70	22	1.705	106.5

由表 1可知，旋蒸5次时，在质量减少80%左右的情况下，游离氨基酸的质量浓度可达106.5 g/L，满足NY 1429-2010中对游离氨基酸含量的要求，可用于水溶肥小样的制备。

除了采用旋蒸法增浓外，还采用酶解法对氨基酸水溶肥的原料进行增浓试验。试验选用碱性蛋白质水解酶，每次取滤液50 g，试验结果见表 2。

表 2

酶解法增浓试验结果

项目	酶加入量/g	催化时间/min	pH	催化温度/℃	灭酶温度/℃	ρ(游离氨基酸)/(g·L^-1)
样品1	0.5	120	8.0~8.5	55	80	70.70
样品2	1.5	120	8.0~8.5	55	80	72.74
样品3	2.5	120	8.0~8.5	55	80	81.22
样品4	5.0	120	8.0~8.5	55	80	75.10
样品5	7.5	120	8.0~8.5	55	80	71.12
样品6	10.0	120	8.0~8.5	55	80	69.52

从表 2可知：当添加的酶质量分数低于5%(2.5 g)时，随着酶添加量的增加，一定程度上有利于氨基酸质量浓度的提高；当酶的添加量超过5%时，呈现酶抑制作用。因此，在采用酶解法进行增浓时，控制酶的加入量是获得较高游离氨基酸含量的关键。

2.3 氨基酸水溶肥小样制备及产品检测

通过旋蒸法得到游离氨基酸质量浓度大于100 g/L的原液，取一定量的原液，加入中量元素进行复配，得到氨基酸水溶肥(中量元素)的小样，然后依据NY 1429-2010对游离氨基酸、中量元素、水不溶物的含量及pH等进行测定，结果见表 3。

表 3

氨基酸水溶肥(中量元素)小样产品质量测定结果

项目	实际测定值	指标要求值
ρ(游离氨基酸)/(g·L^-1)	106.53	≥100
ρ(Ca)/(g·L^-1)	35.2	≥30
ρ(水不溶物)/(g·L^-1)	0.01	≤50
pH(1∶250稀释)	8.1	3~9

从表 3可知，复配的小样满足NY 1429-2010对产品质量的要求，说明采用青霉素废渣制备氨基酸水溶肥原料的工艺是可行的。

3 结语

本文通过考察氧化钙用量、反应时间、反应温度等3个因素对青霉素废渣制备氨基酸水溶肥原料的影响，得到在适合的反应温度、反应时间及苛化物用量条件下，菌渣中的蛋白质可以得到较大程度的水解，水解后游离氨基酸质量浓度约为60.5 g/L；通过蒸发浓缩、酶解等手段使液相原料中氨基酸含量达到NY 1429-2010中的要求，即游离氨基酸质量浓度不小于100 g/L。这表明采用苛化法工艺，以青霉素废渣为原料制备氨基酸水溶肥的路线是可行的，不仅使残留的青霉素降解至较低的水平，还可以进行资源化利用，使废渣中的蛋白质部分水解用于制备氨基酸水溶肥。

在国家倡导绿色循环经济的背景下，生物菌渣的环保处理及资源化利用已成为固危废处理的最终出路，菌渣资源化的技术也是未来几年研究的热点。虽然菌渣资源化利用的路径是可行的，但试验对废渣中的蛋白质水解为氨基酸的机理研究得还不够透彻，如蛋白质在碱性条件下降解成的氨基酸是否全部为L-氨基酸，还是发生消旋转为了D-氨基酸，以及其水解的机理除了断酰胺键，其他位置的键断裂情况如何等，一系列蛋白质降解的本质问题有待进一步深入研究。

ckwx 参考文献

陈玉辉. 利用井冈霉素发酵废渣制备水解蛋白以及水解蛋白的发泡特性研究[D]. 武汉: 湖北大学, 2007.

PICÓN-RUBIO F J, KAWAS J R, FIMBRES-DURAZO H, et al. Effect of substituting soybean meal with mycelium of Penicillium chrysogenum in lamb diets on performance and carcass quality[J]. Small Ruminant Research, 2010, 91(2/3): 127-131.

河北然则机电设备有限公司. 一种抗生素生产废渣生物处理方法: 201310498487.6[P]. 2016-01-13.

成建华, 张文莉. 抗生素废渣处理工艺设计[J]. 医药工程设计, 2003, 24(2): 31-34.

汤少红, 石伟勇, 董越勇. 生物制药药渣资源化利用途径的研究[J]. 农业环境科学学报, 2006, 25(增刊1): 234-236.

刘慧娟, 王丽丽, 邓凯顺, 等. 青霉素酶在青霉素废渣无害化处理中的应用[J]. 生物加工过程, 2009, 7(5): 54-57.

孟蕾, 周迎久. 青霉素菌渣无害化、资源化成套技术成功研发[J]. 化工管理, 2013(19): 52-53.

宁夏乙征生物工程有限公司. 一种酶法处理抗生素药渣的方法: 201410596341. X[P]. 2015-02-04.

上海化工研究院有限公司. 一种采用抗生素发酵废渣制备氨基酸水溶肥的方法: 201910469051.1[P]. 2019-07-23.

房辉, 宋玉来. 石灰苛化法脱除草酸钠的研究[J]. 有色金属(冶炼部分), 2017(1): 36-39.

王钦河. 石灰苛化法废水处理新工艺: 96123502.0[P]. 1998-07-08.

李再兴, 高妍, 钟为章, 等. 超声/碱预处理对青霉素菌渣厌氧消化的影响研究[J]. 河北科技大学学报, 2016, 37(3): 302-308.

奚世超, 孟亚利, 曹卫宇, 等. Fenton试剂法处理青霉素废渣[J]. 化工环保, 2018, 38(6): 670-674.

汤春兰, 杨文珍. 电位滴定法测定食品中游离氨基酸[J]. 食品化工, 1999(3): 35-37.

加雪梅. 自动电位滴定法测定酱油中总酸和氨基酸态氮[J]. 中国热带医学, 2006, 6(10): 1862.